环境微生物学讲稿-第四章-微生物的生理

1第四章微生物的生理2第一节微生物的化学组成及营养物质3一、概述营养:微生物获得和利用营养物质的过程。营养物质:能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质。营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是微生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。微生物不断获得营养物质，将其变成细胞组分，并将废弃物排出体外的过程称为新陈代谢。4二、微生物的化学组成水分(70～90％)+干物质(30～10%)有机物(90～97%)：蛋白质、核酸、糖类和脂类干物质无机物(10～3%)：P、S等和Cu、Mn等微量元素C、H、O、N是所有生物体的有机元素糖类和脂类：C、H、O蛋白质：C、H、O、N、S核酸：C、H、O、N、P细菌酵母菌霉菌芽孢水分(每100g)75～8570～8585～90405主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙等微量元素：锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜等占细菌细胞干重的97%微生物机体质量的70%~90%为水分，其余10%~30%为干物质6三、微生物的营养物质六大类营养物质水碳源氮源能源生长因子矿质营养或无机盐71.水1)水的功能是微生物细胞的重要组成成分维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象参与细胞内一系列化学反应起到溶剂与运输介质的作用控制细胞内的温度通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构游离态结合态2、水的存在形式82.碳源1)定义：能被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中的碳素来源的营养物质。2)碳源的作用构成微生物细胞的含碳物质(碳架)供给微生物生长、繁殖及运动所需要的能量9甲烷氧化菌：甲烷、甲醇根据不同微生物对碳素利用的情况，可以做什么工作？不同的微生物利用碳素的情况洋葱假单胞菌：九十多种碳素化合物纤维素分解菌（部分）：只利用纤维素10微生物利用的碳源物质主要有糖类、有机酸、醇、脂类、烃、CO2及碳酸盐等甘薯、玉米粉、麸皮、米糠、野生植物的淀粉、酒糟、造纸厂亚硫酸液CO2有机物葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、淀粉有机酸、醇类、脂类微生物可以利用的碳源种类11对于为数众多的化能异养微生物来说，碳源是兼有能源功能营养物。目前在微生物工业发酵中所利用的碳源物质主要是单糖、淀粉、麸皮、米糠等。•最适碳源糖醇有机酸脂类•最适糖类单糖双糖多糖•最适单糖已糖戊糖•最适多糖淀粉纤维素木质素、几丁质微生物最好的碳源是糖尤其是葡萄糖、蔗糖。12碳源有机碳无机碳异养微生物自养微生物光能异养化能异养光能自养化能自养131)定义：是指能被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中氮素来源的营养物质。2)氮源的作用：提供微生物合成蛋白质和酶的原料。3.氮源分子氮N2（固氮菌、根瘤菌、少数放线菌和光合细菌、蓝细菌）无机氮NH4＋、NO3－、NO2－（多数微生物）有机氮蛋白质、多肽、氨基酸（多数微生物）牛肉膏、蛋白胨、尿素、酵母高、玉米浆、饼粕微生物可利用的氮素化合物：14最适碳源NHCONHNON2速效氮源：以蛋白质降解产物存在的氮源迟效氮源：以蛋白质形式存在的氮源15根据对氮源要求不同，微生物可分4类(1)固氮微生物：能利用空气中的氮气合成自身的氨基酸和蛋白质，如固氮菌、根瘤菌等；(2)利用无机N作为N源的微生物：如亚硝化菌、大肠杆菌等，无机氮源——NH3、NH4+、NO2-、NO3-；(3)以某种氨基酸为N源的微生物：如乳酸细菌、丙酸细菌等；(4)从分解蛋白质中取得铵盐或氨基酸的微生物：如氨化细菌、霉菌等。16常用的蛋白质类氮源包括蛋白胨、鱼粉、蚕蛹、黄豆饼粉、玉米浆、牛肉浸膏、酵母浸膏等按氮源的不同可以把微生物分为：氨基酸自异养型生物：能利用尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气的生物氨基酸自养型生物：能利用尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气的生物174.能源能源：能为微生物的生命活动提供最初能量来源营养物或辐射能｛｛辐射能化学物质能源谱光能自养和光能异养微生物的能源有机物无机物化能异养微生物的能源化能自养微生物的能源•单功能营养物：如辐射能•双功能营养物：NH4+是硝酸细菌的能源和氮源•三功能营养物：如”N.C.H.O”是异养微生物的源、碳源及氮源。181)要供给形式：磷酸盐、硫酸盐、氯化物、碳酸盐、碳酸氢盐和金属元素的化合物2)矿质营的功能①构成细胞组分；②参与酶的组成、维持酶的活性，酶的激活剤；③调节和维持细胞的渗透压平衡，控制细胞的pH值、氧化还原电位；④供给自养微生物能源。5.矿质营养193)矿质营养的分类根据微生物对矿质元素需要量大小分大量元素：是指微生物生长所需浓度在10-3-10-4mol/L。如P、S、K、Na、Mg、Ca、Fe等。微量元素：微生物生长所需浓度在10-6-10-8mol/L。如：锌、锰、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。20元素人为提供形式主要生理功能大量元素PK2HPO4、KH2PO4核酸、磷脂和辅酶的组成成分；糖代谢磷酸化过程中起重要作用；高能磷酸键能贮存和传递能量；缓冲剂SMgSO4某些氨基酸的组成成分；某些辅酶的组成成分；某些硫化细菌的能源物质MgMgSO4某些酶的激活剂；叶绿素的组成元素；稳定核糖体、细胞膜和核酸FeFeSO4某些酶的的组成成分；铁细菌的能源；细胞色素和铁氧化还原蛋白的氧化还原反应中不可少的电子载体CaCa(NO3)2、CaCl2蛋白酶的激活剂；细菌芽孢和真菌孢子的组成元素；稳定细胞壁KK2HPO4、KH2PO4某些酶的辅助因子；参与细胞内某些物质运输系统的组成；维持电位差和渗透压NaNaCl某些酶的辅助因子；调节细胞的渗透压；与嗜盐菌营养物质的吸收有关21大肠杆菌缺Fe的影响表现：影响甲酸脱氢酶的合成，使得不能催化甲酸分解为H2和CO2，则分解葡萄糖时只产酸不产气；影响细胞分裂。此时大肠杆菌细胞核物质只增长、延长而不分裂，整个细胞呈丝状生长。若污水生物处理中出现这种情况，则会引起活性污泥丝状膨胀，造成二沉池的出水水质差。22元素人为提供形式主要生理功能微量元素MnMnSO4黄嘌呤氧化酶的组分；一些酶(丙酮酸脱羧酶等)的辅助因子CuCuSO4某些酶(乳糖酶等)的辅助因子CoCoSO4参与维生素B12的组成ZnZnSO4乙醇脱氢酶和乳酸脱氢酶的活性基，是酶的激活剂Mo(NH4)6Mo7O24促进固氮作用231)定义：是指那些微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成的或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。6.生长因子2)分类生长因子维生素：构成酶的辅酶或辅基氨基酸：蛋白质的主要组成成分嘌呤或嘧啶碱基：核酸的组成成分，酶的辅酶注意：并不是所有微生物都需要从外界吸收生长因子才能生长24微生物生长因子需要量(ml-1)III型肺炎链球菌（Streptococcuspneumoniae）胆碱6ug金黄色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）硫胺素0.5ng白喉棒杆菌（Cornebacteriumdiphtherriae）B-丙氨酸1.5ug破伤风梭状芽孢杆菌（Clostridiumtetani）尿嘧啶0-4ug肠膜状串珠菌（Leuconostocmesenteroides）吡哆醛0.025ug25维生素的生理功能维生素生理功能维生素B1(硫胺素)其辅酶形式TPP(焦磷酸硫胺素)是脱羧酶的辅酶，主要催化酮脱羧反应维生素B2(核黄素)FAD和FMN(黄素辅酶)的前体，脱氢酶的辅基，起传递氢的作用维生素B3(烟酰胺)是辅酶A的前体，辅酶A是乙酰化酶的辅酶，起传递酰基的作用维生素B5(泛酸)是辅酶I和辅酶II的前体，作为脱氢酶的辅酶参与传递氢及氧化还原反应维生素B6(吡哆素)其辅酶形式为磷酸吡哆素，是消旋酶、转氨酶和脱羧酶的辅酶，参与氨基酸的消旋、转氨和脱羧反应维生素B7(生物素)是羧化酶的辅酶，在CO2固定、氨基酸和脂肪酸的合成及糖代谢中起重要作用维生素B11(叶酸)其辅酶形式为四氢叶酸，是合成酶的辅酶，作为一碳基团的载体参与多种生物合成过程维生素B12(钴胺素)其辅酶形式辅酶维生素B12是变位酶的辅酶，催化分子内基团的变位反应26有关生长因子的注意点：（1）不同的微生物，它们生长所需要的生长因子各不相同克氏杆菌生物素、对氨基苯甲酸肠膜明串珠菌十七种氨基酸（2）微生物生长需要的生长因子会随着外界条件的变化而变化鲁毛霉：厌氧：需维生素B与生物素好氧：无需生长因子（3）生长因子未知微生物的培养加入天然成分，如酵母膏、玉米浆、肝浸出液、麦芽汁、牛肉膏或动物、植物的组织液、新鲜动植物组织27第二节营养物质的跨膜运输28营养物质能否进入细胞取决于三个方面的因素①营养物质本身的性质（相对分子量、质量、溶解性、电负性等）②微生物所处的环境（温度、pH等）③微生物细胞的透过屏障（原生质膜、细胞壁、荚膜等）29单纯扩散(simplediffusion)促进扩散(facilitateddiffusion)主动运输(activetransport)基团转位(grouptranslocation)根据物质跨膜运输过程的特点，可分为：30311、定义：是指杂乱运动的、水溶性的溶质分子通过细胞膜中含水的小孔从高浓度区向低浓度区进行物理扩散的进出细胞的过程。脂溶性物质被磷脂层溶解而进入细胞。2、运输的物质：水、某些气体(如O2、CO2等)、脂溶性物质(如甘油、乙醇和苯等)、少数氨基酸和某些离子运输3、特点：a没有载体的协助b无需能量c沿浓度梯度扩散，扩散速度慢，与膜内外物质的浓度差成正比d物质在扩散过程中没有发生任何反应；一、单纯扩散(simplediffusion)32单纯扩散模式图细胞膜外细胞膜内细胞膜高低水、O2、CO2是可以通过扩散自由通过原生质膜的分子，脂溶性物质被磷脂溶解也可通过单纯扩散进出细胞，并比水溶性物质速度快。331、定义：指利用渗透酶(载体蛋白)将营养物质从细胞膜的外表面运送到内表面并释放的过程。2、运输的物质：氨基酸、单糖、维生素、无机盐、金属离子等3、特点：a需要渗透酶b不消耗代谢能量c沿浓度梯度，运输速率与膜内外物质的浓度差成正比d参与运输的物质本身的分子结构不发生变化二、促进扩散(facilitateddiffusion)3435361、定义：指营养物质从低浓度向高浓度移动且消耗能量的运输方式。2、运输的物质：氨基酸、糖、无机离子(K＋、Na＋、H＋)、硫酸盐、磷酸盐、有机酸等3、特点：a需要渗透酶，对底物有特异性b消耗能量c底物进入细胞时，其化学结构没有发生改变d可以进行逆浓度运输三、主动运输(activetransport)3738aecdb39主动运输的作用机制(1)钠钾泵主动运输40主动运输的作用机制(2)离子浓度梯度主动运输消耗ATP建立离子浓度梯度，通过反向转运载体完成H＋和K＋、Na＋的反向传递。(3)H＋浓度梯度主动运输是好氧微生物吸收营养的重要方式。在膜呼吸或在ATP作用下，膜内外形成一定的电位差，在此作用下，阴、阳离子分别由同向转运载体和单向转运载体携带进入细胞。411、定义：是一种主要存在于厌氧菌和兼性厌氧菌的需要代谢能量的运输方式。2、运输的物质：糖、嘌呤、嘧啶、乙酸等3、特点：a需要消耗能量b底物化学结构发生改变(一般呈磷酸化的形式)c需载体蛋白，对底物有特异性d逆浓度四、基团转位(grouptranslocation)42基团转位模式图细胞膜外细胞膜内SSSS细胞膜Enz2Enz2Enz2Enz2SSHPrP~PHPr~Enz1+PEP丙酮酸盐43糖的基团转位过程总过程为()()()()PriiiiH酶磷酸烯醇丙酮酸＋HPr-磷酸＋丙酮酸盐()()()()PrPrioiiHH酶－磷酸＋糖磷酸糖＋()()()()PrioiiH酶酶，磷酸烯醇丙酮酸＋糖糖－磷酸＋丙酮酸盐基团转位又称为磷酸烯醇丙酮酸－磷酸－糖转移酶运输系统（PTS），PTS包括酶I、酶II和一种热稳定蛋白质（HPr）。44基团转移主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细胞中，主要用于糖的运输，脂肪酸、核苷、碱基等也可以通过这种方式运输。45四种运输营养物质方式的比较比较项目单纯扩散促进扩散主动运输基团转位特异载体蛋白运